第6章明挖隧道施工

第６章明挖隧道施工明挖法：基坑法它是按照隧道的宽度和高度，包括必要的施工操作余量，从地面开挖出一个基坑，并在其中修筑钢筋混凝土箱涵，做外防水，再进行回填的方法。明挖隧道结构形式：直墙式单跨双跨多跨短形闭合框架明挖法优点：施工作业面大，各项施工工序可以全线铺开，进行平行流水作业，因而施工速度较快，工期较短，适应性强，可以使用高效率的挖土机械和运输车辆，也可采用简易的施工机械设备，操作技术简单，工程质量容易控制。明挖法缺点：土方工程量大，对地面街道干扰大，地下管道拆迁量大，降水和地层加固费用较高。明挖法施工的一般程序：测量定位－挖表层土－打桩（护坡桩）－打降水井点管－开挖路面－设置支撑防护与开挖－开挖至设计标高－基坑底部处理－隧道结构屋施工－回填土－拔井点板桩－恢复路面第一节基坑的支护设计与施工一、基坑形式放坡开挖直槽开挖支护形式板桩支护基坑锚喷网支护基坑冻结法维护基坑混凝土连续墙维护基坑全放坡开挖基坑半放坡开挖基坑拉锚支护直槽基坑横撑支护直槽基坑土锚支护基坑锚喷网支护基坑冻结支护基坑混凝土连续墙基坑二、基坑支护结构（一）板桩式支护结构组成：工字钢、木挡板、腰梁（导梁）、顶撑或拉锚工字钢一般采用３０－４０号的工字钢，长度一般为８－１２m；工字钢的间距一般采用１.０、１.２、１.５、１.６m等，也有采用０.８米的，间距太小会增加工字钢桩的数量，过大增加木挡板的厚度，工字钢桩的入土是一般为３－４m。木挡板一般设计选用５－１０cm，腰梁用槽钢、工字钢或Ｈ型钢，由三脚架固定在工字钢上，也可直接焊接，它可以传递压力，也可增加钢桩的稳定性，控制工字钢桩的间距。顶撑用钢或木作成，６.５m以下可用梢径约３２cm的圆木，６.５m以上用钢顶撑，一端做成可伸缩式的，以适应打桩发生偏转或基坑宽度发生的变化。顶撑的层数与基坑的壁侧压力直接有关。要尽量减少层数，影响施工速度。4m10m50-60cm（二）锚喷网支护结构组成：锚杆、混凝土喷层和排水设施。变形钢筋和沙浆组成的全锚式注浆锚杆；锚杆长度Ｌ和支护高度Ｈ之比宜在０.６－１.０范围内。对顶部锚杆不小于０.８；在饱和土中１.５－２.５；锚杆间排距：在非饱和土中为１.２－１.５m；对软土则可以小于１.０m；锚杆倾斜角度在支护变形小时为０－５度，要求稳定性高是可以去大值，但不超过１５度。三、基坑支护结构计算或稳定性验算结构计算内容：（１）支护结构承受荷载的确定；（２）放坡开挖边坡稳定性计算；（３）桩板支护桩的入土深度计算和板桩的强度计算以及顶撑、腰梁断面、锚系结构等；（４）锚喷网支护锚杆锚固力、锚杆长度、混凝土喷层厚度计算等。（一）支护结构的荷载作用在支护结构上的载荷主要是土壤侧向压力，及其破坏土体上方的附加荷载所产生的侧向力。一般以库仑公式或朗金公式求之。Ｈ０HkPkHP221总土压力分布图土压力的简化计算图（二）放坡开挖边坡稳定性计算１.无粘性土边坡稳定性计算有地下水益出时：Ｋ＝１时，处在极限平衡状。２.粘性土边坡稳定性计算粘性土边坡稳定性计算（三）单层板桩墙式支护计算板桩墙破坏形式板桩入土深度不足或坑底过于软弱时，很可能发生板桩绕锚拉点转动，桩底翘起。当板桩断面尺寸不足，跨中弯矩大于板桩抗弯能力，导致板桩变形，甚至丧失稳定，使边坡破坏。当锚杆拉力不足或锚锭距离太短时，板桩向前倾倒，墙后地面开裂，边坡失去稳定。单层支护板桩计算应主要解决的问题：板桩的入土深度板桩断面尺寸横撑顶力或锚杆拉力根据板桩入土深度的大小，以及板桩在土层中承受土压力作用后产生的变形，分两种情况计算。（１）板桩入土深度较浅，在Ｄ点以上，板桩入土部分看作自由支承，板桩上端的顶撑或锚索看作简支－－－－单跨的简支梁。（１）自由支撑板桩墙的土压力分布１.确定如土深度２.确定锚杆拉力３.确定板桩断面尺寸（２）打入深度比较深，超过Ｄ处以后，认为板桩的入土部分能比较牢固地嵌固在土层中，Ｄ点处起固定端支撑作用。相当梁法找等值梁的另一支点，即正负弯矩的转折点Ｃ，近似找主被动土压力等于零的位置。进而求出相当梁反力。等值梁法图中ab梁一端固定一端简支，弯矩图的正负弯矩在c点转折，若将ab梁在c点切断，并于c点加一自由支承形成ac梁，则ac梁上的弯矩将保持不变，即称ac梁为ab梁上ac段上的等值梁。等值梁原理ababc如ab梁一端固定，一端简支，弯矩图的正负弯矩在c点转折。若将ab梁在c点切断，并在c点置一自由支承，形成ac梁，则ac梁上的弯矩将保持不变，则称ac梁为ab梁上ac段的等值梁。HAPaBCDHAPaBCDPaP0等值梁板桩上土压力分布图板桩弯矩图（２）Ｄ点固定支承情况板桩入土深度Ｐ０Ｒa0)2.11.1(ttmax)8.06.0(MM实际入土深度实际断面尺寸（四）桩板式支护结构计算滑动破坏菱体，其体积为：32tFbF土体抗力增加系数板桩土压力分布基坑底部Ｄ上方主动土压力：基坑顶部Ａ处主动土压力：基坑底部Ｄ下方主动土压力：被动土压力在桩下端Ｂ处为：主动土压力在桩下端Ｂ处为：（五）锚喷网支护的稳定性分析（１）锚喷网支护的体外破坏，即外部稳定性；体外破坏：整个支护作为一个刚体发生沿支护底面滑动，绕支点面层底端倾覆，连同周围基底深部土体滑动等现象。（２）锚喷网支护的体内破坏，即内部稳定性。内部稳定性可采用极限平衡法进行分析，支护土体破坏面的形状可假定为圆弧线、抛物线、双折线或直线。四、板桩结构的施工隧道基坑法施工时，开挖深度较浅，土层条件较好时，多采用桩板结构维护。桩板结构施工根据其结构可分为：钢板桩施工桩板式结构施工１.钢板桩施工设备（１）冲击式打入机械；（２）振动式打入机械；（３）振动冲击打桩机械和精力压入机械。选用机械时考虑的因素：（１）工程规模（２）土质条件（３）作业能力（４）作业环境２.钢板桩施工（１）施工准备①对运进施工现场的板桩进行整理、检查和堆放；②注意板桩施工的导向设置，以确保施工后板桩处于设计轴线上；③设置桩帽，防止桩顶的损伤，帽内加缓冲材料。（２）钢板桩打入打入方法１.单根板桩施工２.屏风法施工（３）施工常见故障及对策出现的问题及解决办法：（１）不易贯入：１.对地质情况做详细分析，可伴以高压冲水或振动法沉桩，不能用锤硬打；２.对板桩逐根检查，发现锈蚀或变形及时调整，还可在锁口内涂油脂；（２）倾斜：卷扬机钢索将板桩反拉后锤击，或改变锤击；倾斜可用特别楔形板桩进行纠偏，降水疏干地层。（二）桩板式结构施工（１）立柱施工前必须检查其腰梁的槽口是否平直完整，整体是否保持直线形；立柱桩的施工必须确保垂直且不能扭转，立柱间的距离要严格按设计尺寸施工。（３）该类结构可与锚杆支护联合使用，施工中要注意及时进行支撑或拉锚，并可适当调节，以确保紧贴立柱桩。（２）立柱桩间的挡板要作检查，不能有裂纹，也不能腐烂或扭曲，混凝土挡板要检查是否已经发生裂纹，钢木混合挡板要保持平直；第二节地下连续墙的设计与施工地下连续墙：是以专用的挖槽设备开挖沟槽，并采用触变泥浆护壁，在槽内设置钢筋笼，采用导管法浇注混凝土，形成一个单元槽段的混凝土墙体，依次继续挖槽、浇注施工，连接成一道连续的地下钢筋混凝土墙或帷幕。地下连续墙的作用：防渗挡土承重一、地下连续墙的设计应具备的要求足够的强度足够的刚度保证隧道的稳定性保证在荷载作用下墙体的安全，保证对附近结构物及地基不产生有害影响，保证隧道的稳定性，防止坑底隆起、管涌流沙、承压水冲溃坑底。（一）作用在连续墙上的荷载地面超载水土压力（二）地下连续墙的静力计算１.山肩邦男法山肩邦男法求解，基本假定：（１）在粘土层中，墙体作为无限长的弹性体；（２）墙背土压力在开挖面以上取三角形分布，开挖面以下取矩形；（３）开挖面以下土的横向抵抗反力分为两个区域，弹性区和塑性区；（４）横撑设置后，即作为不动支点；（５）下道横撑设置后，上道横撑轴力不变，下道横撑支点以上的墙体仍然保持在原来的位置。山肩邦男近似解法图：山肩邦男近似解法，基本假定：（１）在粘土地层，将墙体改作底端自由的有限长弹性体；（２）（４）（５）假定与精确解法假定相同；（３）开挖面以下土的横向抵抗力取为被动土压力；（６）把开挖面以下墙体弯矩为０的点假象为一个铰，并忽略此铰以下墙体对上面墙体的剪力传递。中国弹塑性法计算简图２.弹性法（３）弹塑性法基本假定：（１）考虑支撑的弹性变化，图中以弹簧表示；（２）主动侧压力假定按二次函数分布；（３）入土部分分塑性区和弹性区两部分；（４）墙体为有限长。弹塑性法计算简图二、地下连续墙的施工（一）施工准备施工之前应根据工程要求和地质条件决定墙体深度、厚度、施工方法、施工设备和施工精度。修筑导墙，铺设轨道，建立泥浆配置站及循环沟槽与沉淀池和必要施工材料准备。（一）施工准备１.修筑导墙导墙：地下连续墙挖槽之前构筑的引导地下连续墙施工的临时结构物。导墙作用：①给挖槽、造孔起导向作用；②储存触变泥浆；③维护槽口稳定，避免塌方；④支承造孔机及其他设备的荷载。程序：平整场地→测量放样→挖槽及处理弃土→绑扎钢筋网片→立模→浇注混凝土→拆模并设置横撑。深１.５－２m厚２０－３０cm＞C20２.泥浆系统泥浆的作用：（１）泥浆充满被挖掘的空间，利用泥浆的压力，对槽壁产生一定的静水压力；（２）泥浆向地层流渗形成一层致密而透水性很小的薄层泥皮，同泥浆一起起到平衡地压、稳定槽壁的作用。泥浆的组成：膨润土、水、化学掺剂和一些惰性材料对泥浆的要求抗重力作用的物理稳定性化学稳定性适当的相对密度和粘度性能必须具有可调节性泥浆处理（１）重力沉降法：挖掘沉淀池进行沉淀处理（２）机械处理：用旋流器和振动筛进行处理（二）槽孔施工１.造孔机械及施工方法冲击式造孔直接出土机械及施工方法斗式成槽机械及施工方法旋转切削式泥浆循环出渣成槽及施工方法（１）冲击式造孔直接出土式机械．靠钻头自重，在充满泥浆的孔中反复冲击破碎岩石，然后用带有活底的取渣筒将破碎的岩屑取出。（１）冲击式优缺点优点：构造简单，操作容易，适应性强，在坚硬的土层和含砾石、卵石等复杂地层均可使用，使用与深度较大的造孔施工。缺点：取渣时，冲击钻头必须间断工作，效率低，噪声和震动较大。（２）抓斗式成槽机械利用抓斗上的犁齿直接对土层进行破碎，抓取并将土体运出槽外．其形式主要有各种索式导板抓斗、液压导板抓斗和刚性导板抓斗等。首先在槽段两端用钻机钻两个垂直导孔，然后用抓斗抓除两导孔之间的土体，形成槽段。用抓斗直接把没经破碎的土层送到地面，不需要泥浆循环和净化。（３）回转式造孔机械优点：用钻头、刃具对土层进行钻削，并借助泥浆循环排渣，机械化程度和工效、成孔质量、垂直精度均较好，而且噪声小，对侧面土体扰动少，最适于土质较差、开挖较深的槽段。缺点：结构复杂，遇有大粒径砾石、卵石层难于使用。２.槽段的划分与施工槽段：混凝土一次浇注的单位长度。槽段长：减少接头数，提高地下墙的整体性和防水性。实际确定槽段长度要考虑以下的因素：（１）地质情况；（２）起重设备能力；（３）单位时间内供应混凝土能力，槽段最好４小时浇灌完毕；（４）工地所具备的稳定液槽容积，一般稳定液槽容积应是没一槽段沟槽容积的２倍；（５）工地能占用的场地面积及能够连续作业的时间（６）划分槽段还要考虑槽段的平面形状和尺寸，注意拐角和墙与内部结构连接处不宜设置接头。挖槽结束后，必须扫孔清渣，待槽孔符合设计标准后，进行清孔换浆，保证护壁效果，以利于下放钢筋笼和浇注混凝土。（三）钢筋笼的制作与吊放（四）混凝土浇灌混凝土的密实：自重和灌注时产生的局部振动实现。混凝土的流动容易将泥浆和槽内的沉渣混入墙体，使混凝土质量降低。（五）槽段的连接与接头施工１.圆形接头２.混凝土预制板或钢板接头３.刚性接头钢筋连接方式钢板连接方式第三节明挖隧道衬砌结构与设计计算一、衬砌结构二、衬砌结构计算明挖隧道衬砌结构计算通常包括三个方面的内容：荷载计算、内力计算、截面计算。（一）荷载计算静荷载、活荷载和特殊荷载明挖隧道结构荷载示意图1．顶板上的荷载tgwstqqqqqq'0iishq2．底板上的荷载btbqLpqq3．侧墙上的荷载twseeee)245(ta